-
-
Verfahren zur Registrierung des zeitlichen Verlaufes kleiner elektrischer
Spannungen innerhalb eines breiten Frequenzbandes, das die Frequenz Null enthält
In der Technik ergibt sich häufig die Forderung nach der Messung kleiner elektrischer
Spannungen. Soweit es sich dabei um die Messung nicht nur statischer oder quasistatischer,
sondern auch mehr oder weniger rasch verlaufender dynamischer Vorgänge dreht, ist
man gezwungen, den zeitlichen Verlauf der Meßspannung mit genügend trägheitsarmen
Registriergeräten aufzuzeichnen. In vielen Fällen ist zu diesem Zweck eine Verstärkung
der Meßspannung erforderlich.
-
Es bereitet keine großen Schwierigkeiten, verhältnismäßig sehr kleine
elektrische Spannungen in gewissen Grenzen zu verstärken. Man bedient sich dabei
der bekannten Schaltungen der Breitbandverstärker.
-
Diese Anordnungen haben jedoch im allgemeinen den Nachteil, daß sie
nicht in der Lage sind, Spannungen der Frequenz Null zu verstärken. Eine Abart des
in der Technik häufig verwendeten Breitbandverstärkers mit Widerstands-Kondensatorkopplung
(RC-Kopplung) zwischen den einzelnen Verstärkerstufen ist der direkt gekoppelte
Breitbandverstärker, der auf die Kopplungskondensatoren verzichtet und daher auch
Spannungen der Frequenz Null zu, verstärken gestattet. Ihm haftet der Nachteil der
Unstabilität des Nullpunktes an, die besonders bei größeren Verstärkungsgraden nicht
mehr zu beherrschen ist. Sie wirkt sich dahingehend aus, daß die Größe der am Verstärkerausgang
liegenden Spannung unregelmäßigen Schwankungen unterworfen ist, auch wenn die
Größe
der am Verstärkereingang liegenden Meßspannung konstant, im Sonderfalle Null ist.
Dieser als >Nullpunktsdrift; bezeichnete Effekt wird bei elektronischen Verstärkern
verursacht durch Änderung des Röhren-Emissionsstromes, die ihrerseits in der Hauptsache
auf spontane Änderungen des Kontaktpotentials zwischen der Kathode und dem Steuergitter
einer Elektronenröhre zurückzuführen sind. Unter Kontaktpotential ist hierbei die
Differenz der Elektronenaustrittsarbeiten der genannten Elektroden einer Verstärkerröhre
zu verstehen. Diese spontanen Änderungen des Kontaktpotentials erfolgen vorwiegend
mit Geschwindigkeiten, die sehr niedrigen Frequenzen entsprechen. Soweit die Nullpunktsdrift
ihre Ursache in Bauelementen des Verstärkers hat, die der ersten Verstärkerröhre
nachgeschaltet sind, kann sie durch Gegenkopplungsmaßnahmen verringert werden. Eine
Nullpunktsdrift, die ihre Ursache zwischen Kathode und Steuergitter der ersten Verstärkerröhre
hat und besonders stark in Erscheinung tritt, da sie an der gesamten Verstärkung
teilnimmt, kann durch Gegenkopplung nicht beeinflußt werden.
-
Es sind Verfahren bekannt, bei denen zur Messung kleiner elektrischer
Spannungen eines Frequenzbandes, das die Frequenz Null enthält, die Meßspannung
zunächst in eine Wechselspannung umgewandelt beziehungsweise einer Trägerwechselspannung
aufgeprägt wird. Die so gewonnene Wechselspannung wird in einem Wechselspannungsverstärker
verstärkt.
-
Aus der Wechsdspannung wird durch Demodulation und Siebung die verstärkte
Meßspannung gewonnen.
-
Um eine einwandfreie Trennung von verstärkter Meßspannung und Trägerwechselspannung
zu erreichen, ist es erforderlich, daß die höchste Frequenz der zu verstärkenden
Meßspannung wesentlich kleiner ist als die Trägerfrequenz.
-
Eine bekannte Möglichkeit, zur Aufprägung der Meßspannung auf eine
Trägerwechselspannung besteht in einer Schaltungsanordnung, die elektrische Bauelemente,
wie z. B. Elektronenröhren, enthält. Diesem Verfahren haftet grundsätzlich derselbe
Fehler mit denselben Ursachen an, wie einem direkt gekoppelten Verstärker.
-
Andere bekannte Verfahren machen zur Aufprägung der Meßspannung auf
eine Trägerwechselspannung von mechanisch bewegten Teilen, wie z. B. rotierenden
Kondensatoren, Schwingkondensatoren, Kontaktzerhackern oder Kontaktpolwendern Gebrauch.
Diese Verfahren besitzen den Nachteil, daß gewisse mit Massenträgheit behaftete
Teile im Takt der Trägerfrequenz bewegt werden müssen, wodurch die Trägerfrequenz
nach oben begrenzt ist. Infolgedessen liegt auch die obere Frequenzgrenze für die
Meßspannung verhältnismäßig niedng.
-
Es ist auch ein Verfahren zur Messung oder Registrierung kleiner
Gleichspannungen bekannt, bei dem ein Gleichspannungsverstärker verwendet wird und
zusätzlich dazu ein Gerät, das die Nullpunktsdrift des Gleichspannungsverstärkers
ausgleicht. Dies geschieht in der Weise, daß die am Verstärkereingang liegende Meßspannung
kurzzeitig in gewissen Zeitabständen abgeschaltet wird und, falls am Verstärkerausgang
dann nicht ebenfalls die Spannung Null liegt, der Nullpunkt des Gleichspannungsverstärkers
durch das zusätzliche Gerät nachgeregelt wird. Bei diesem Verfahren muß zur Vermeidung
von Fehlmessungen durch die Nullpunktsdrift des Gleichspannungsverstärkers ein erheblicher
Aufwand getrieben werden.
-
Die nachstehend beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Registrierung des zeitlich beliebigen Verlaufs kleiner elektrischer Spannungen
innerhalb eines breiten Frequenzbandes, das die Frequenz Null enthält, bei dem die
zu messende Spannung nach vorheriger Verstärkung in einem Wechselspannungs-Breitbandverstärker
einem Registriergerät zugeführt wird. Bei diesem Verfahren werden die im vorangegangenen
geschilderten Nachteile bekannter Verfahren ganz oder zumindest teilweise dadurch
überwunden, daß erfindungsgemäß der am Verstärkereingang liegende Momentanwert der
zu registrierenden Spannung in gewissen, gegenüber der Zeitkonstanten T des Verstärkers
kleinen, vorzugsweise konstanten Zeitabständen kurzzeitig Null gemacht wird.
-
Das Verfahren nach der Erfindung geht von der bekannten Schaltung
des Breitbandverstärkers mit Widerstands-Kondensatorlropplung zwischen den einzelnen
Verstärkerstufen aus. Einem derartigen Verstärker wird ein geeignetes Registriergerät,
z. B. eine Elektronenstrahlröhre in Verbindung mit einer Ablaufregistrierkamera,
nachgeschaltet. Am Verstärkereingang liegt die Meßspannung, deren zeitlicher Verlauf
registriert werden soll. Diejenigen Frequenzanteile der Meßspannung, die in den
Übertragungsbereich des Breitbandverstärkers fallen, werden unverzerrt verstärkt.
Dies trifft nicht zu für Frequenzanteile, die unter der unteren Grenzfrequenz des
Verstärkers liegen, also auch nicht für Gleichspannungen.
-
Legt man gemäß Abb. I an die Eingangsklemmen I und 2 des Verstärkers
3 eine Meßspannung U, mit dem in Abb. 2 über der Zeit t dargestellten Verlauf, so
entsteht an den Verstärkerausgangsklemmen 4 und 5 eine Spannung U2 mit dem in Abb.
3 veranschaulichten Verlauf nach der Exponentialfunktion
mit T = Zeitkonstante des Verstärkers t = Zeit v v = Verstärkungsfaktor e = Basis
der natürlichen Logarithmen.
-
Der steile Anstieg der Meßspannung wird durch den Verstärker unverzerrt
verstärkt. Während aber anschließend die Meßspannung eine konstante Größe beibehält,
sinkt die Verstärkerausgangsspannung langsam nach der angegebenen Exponentialfunktion
ab. Dieser Vorgang kann auch so aufgefaßt werden, als ob nach Anlegen der Gleichspannung
U, an den Verstärkereingang die Ausgangsspannung U2 des Verstärkers die Größe v
U1 beibehielte, während das Bezugspotential »Null« des Verstärkerausgangs langsam
in einer Richtung wanderte, die der Richtung der Verstärkerausgangsspannung entgegengesetzt
ist. Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht es, das er-
wähnte
Bezugspotential »Null« in die Registrierung mit aufzunehmen. Bei Verstärkern, deren
Eingangsschaltung auf das in Abb. 4 angegebene Prinzipschaltbild zurückgeführt werden
kann, wird gemäß Abb. 6 parallel zu den Eingangsklemmen I und 2 ein geeigneter,
in Ruhestellung offener Schalter 6, z. B. ein Relais, oder ein gemäß Abb. 7 in den
Stromkreis zwischen Meßspannungsquelle 7 und Verstärkereingang ein geeigneter, in
Ruhestellung geschlossener Schalter 6, z. B. ein Relais, geschaltet. Bei Verstärkern,
deren.Eingangsschaltung auf das in Abb. 5 für das Beispiel eines Eintaktverstärkers
angegebene Prinzipschaltbild zurückgeführt werden kann, wird ebenfalls nach Abb.
6 verfahren. Durch in bestimmten, vorzugsweise konstanten Zeitabständen erfolgende
Betätigung des Schalters 6 entstehen Spannungsimpulse 8, die auf dem Registrierstreifen
erscheinen, wie in Abb. 8 dargestellt. Das Bezugspotential »Null« wird auf dem Registrierstreifen
dargestellt durch einen nachträglich einzuzeichnenden Kurvenzug 9, der die Spitzen
10 der mitregistrierten Impulse 8 verbindet.
-
Näherungsweise können zwei benachbarte Impulsspitzen durch eine Gerade
miteinander verbunden werden. Der dabei gemachte Fehler ist um so kleiner, je kleiner
das Verhältnis des zeitlichen Abstandes zweier Impulse zur Zeitkonstanten.T des
Verstärkers ist. Dieser Fehler kann also praktisch beliebig klein gemacht werden.
-
Durch geeignete Wahl der Bauelemente des Verstärkers ist dessen Zeitkonstante
T so dimensioniert, daß dieser die erwähnten, durch spontane Emissionsänderungen
der Röhren bedingten langsamen Nullpunktswanderungen praktisch nicht mehr überträgt.
-
Die Dauer der periodischen Meßspannungsunterbrechungen soll möglichst
kurz gewählt werden. Die mitregistrierten Impulse dienen nicht nur der Darstellung
des Bezugspotentials »Null«, sie können gleichzeitig als Zeitmaßstab verwendet werden.